Sincronização e Comunicação entre Processos. Adão de Melo Neto

Transcrição

1 Sincronização e Comunicação entre Processos Adão de Melo Neto 1

2 INTRODUÇÃO Em um sistema multitarefa os processos alternam sua execução segundo critérios de escalonamento estabelecidos pelo sistema operacional. Processos de aplicações concorrentes compartilham diversos recursos do sistema, como arquivos, registros, dispositivos de Entrada/Saída e áreas da memória. 2

3 INTRODUÇÃO O compartilhamento de recursos entre processos pode ocasionar situações indesejáveis Para evitar este tipo de problema, os processos concorrentes devem ter suas execuções sincronizadas, a partir de mecanismos oferecidos pelo sistema operacional, com o objetivo de garantir o processamento correto dos programas. 3

4 INTRODUÇÃO Os mecanismos que garantem a comunicação entre processos concorrentes e os acessos aos recursos compartilhados são chamados mecanismos de sincronização 4

5 ESPECIFICAÇÃO DA CONCORRÊNCIA (FORK E JOIN) A primeira notação para a especificação da concorrência em um programa foram os comandos FORK e JOIN, introduzidos por Conway(1963) e Dennis e Van Horn(1966). 5

6 ESPECIFICAÇÃO DA CONCORRÊNCIA (FORK E JOIN) O programa A começa a ser executado e, ao encontrar o comando FORK, faz com que seja criado outro processo para a execução do programa B, concorrentemente ao programa A O comando JOIN permite que o programa A sincronize-se com o B, ou seja, quando o programa A encontrar o comando JOIN, só continuará a ser processado após o término da execução do programa B. 6

7 ESPECIFICAÇÃO DA CONCORRÊNCIA (PARBEGIN E PAREND) Uma das implementações mais claras e simples de expressar a concorrência em um programa é a utilização dos comandos PARBEGIN e PAREND 7

8 ESPECIFICAÇÃO DA CONCORRÊNCIA (PARBEGIN E PAREND) O comando PARBEGIN especifica que a sequencia de comandos seja executada concorrentemente em uma ordem imprevisível, através da criação de um processo para cada comando. O comando PAREND define um ponto de sincronização, onde o processamento só continuará sua execução quando todos os processos ou threads criados já tiverem terminado sua execução. 8

9 ESPECIFICAÇÃO DA CONCORRÊNCIA (PARBEGIN E PAREND) 9

10 PROBLEMA DO COMPARTILHAMENTO DE RECURSOS Os sistemas operacionais multiprogramáveis executam processos concorrentemente. Como os processos concorrentes compartilham recursos do sistema (variável na memória principal ou arquivo no disco, por exemplo), isso pode ocasionar alguns problemas. O programa atualiza o saldo bancário de um cliente após um lançamento de débito ou crédito. O programa lê o registro do cliente no Arquivo Contas, lê o valor a ser depositado ou retirado e, em seguida, atualiza o saldo no Arquivo de contas. leitura atualização 10

11 PROBLEMA DO COMPARTILHAMENTO DE RECURSOS Dois PROCESSOS atualizam SALDO de um mesmo CLIENTE O processo 1 (do primeiro funcionário) lê o registro do cliente e soma ao campo Saldo o valor do lançamento do débito; Antes de gravar o novo saldo do arquivo, o processo 2 (do segundo funcionário) lê o registro do mesmo cliente e soma ao campo Saldo o valor creditado; Independentemente de qual dos processos atualize o saldo primeiro no arquivo, o dado gravado estará inconsistente. 11

12 PROBLEMA DO COMPARTILHAMENTO DE RECURSOS COM INCONSISTÊNCIA READ : Processo 1 Lê registro de Antônio ==> saldo = 500 Processo 1 ==> = 450 Antes do WRITE : Processo 2 Lê registro de Antônio ==> saldo = 500 Processo 2 ==> =600 WRITE: Processo 1 ==> saldo = 450 WRITE: Processo 2 ==> saldo = 600 SEM INCONSISTÊNCIA READ : Processo 1 Lê registro de Antônio ==> saldo = 500 Processo 1 ==> = 450 WRITE: Processo 1 ==> saldo = 450 READ: processo 2 Lê registro de Antônio ==> saldo = 450 WRITE: Processo 2 ==> =450 12

13 OBJETIVO EXCLUSÃO MÚTUA (MUTEX) Evitar que dois ou mais processos acessem um mesmo recurso simultaneamente. MECANISMO Enquanto um processo estiver acessando um determinado recurso e outro processo necessite acessar o mesmo recurso, este processo deve aguardar o término da utilização do recurso pelo primeiro processo REGIÃO CRÍTICA É a parte do código do programa onde é feito o acesso ao recurso compartilhado é denominada região crítica. ACESSO A REGIÃO CRÍTICA Se for possível evitar que dois processos entrem em suas regiões críticas ao mesmo tempo os problemas decorrentes do compartilhamento de recursos são evitados. 13

14 EXCLUSÃO MÚTUA (MUTEX) Recurso Região Crítica 14

15 EXCLUSÃO MÚTUA (MUTEX) PROTOCOLOS DE ENTRADA E SAÍDA Toda vez que um processo for executar instruções de sua região crítica, este deverá executar antes um protocolo de entrada nessa região. Da mesma forma, ao sair da região crítica, o processo deve executar um protocolo de saída. ACESSO AOS RECURSOS DE FORMA SINCRONIZADA Para a implementação da exclusão mútua, os processos devem fazer acesso aos recursos de forma sincronizada. Além de garantir a exclusão mútua, existem duas situações que devem ser evitadas: Startivation (espera indefinifa) e Busy Wait (espera ocupada) STARTIVATION Situação onde o processo nunca consegue executar sua região crítica, e, consequentemente, acessar o recurso compartilhado (ele nunca é escolhido). Quando um recurso compartilhado é liberado, o sistema operacional seleciona outro processo para fazer uso deste recurso. Dependendo do critério de escolha, poderá ocorrer o starvation. BUSY WAIT Situação em que um processo está fora de sua região crítica e fica testando permanentemente se pode entrar na sua região crítica. 15

16 SOLUÇÕES PARA EXCLUSÃO MÚTUA SOLUÇÕES DE HARDWARE Desabilitar Interrupções Instrução test-and-set SOLUÇÕES DE SOFTWARE Algoritmos 1 o, 2 o, 3 o e 4 o propostos para implementar a exclusão mútua Algoritmo de DEKKER Algoritmo de PETTERSON 16

17 SOLUÇÕES PARA EXCLUSÃO MÚTUA Algoritmo de DEKKER Primeira solução de software que garantiu a exclusão mútua entre dois processos sem a incorrência de problemas foi proposta pelo matemático holandês T. Dekker. Tem como base no primeiro e quarto algoritmos. Algoritmo de PETTERSON O algoritmo proposto por G. L. Peterson apresenta uma solução para o problema da exclusão mútua entre dois processos que pode ser facilmente generalizada para o caso de N processos. Similar ao terceiro algoritmo 17

18 SINCRONIZAÇÃO CONDICIONAL Situação onde o acesso ao recurso compartilhado exige a sincronização de processos vinculada a uma condição de acesso. EXEMPLO CLÁSSICO comunicação entre dois processos através de operações de gravação e leitura em um buffer, onde processos geram informações (processos produtores) utilizadas por outros processos (processos consumidores). enquanto um processo grava dados em um buffer, o outro lê os dados, concorrentemente. Os processos devem estar sincronizados a uma variável de condição, de forma que um processo não tente gravar dados em um buffer cheio ou realizar uma leitura em um buffer vazio. 18

19 MECANISMOS (Exclusão Mútua e Sincronização Condicional) SEMÁFOROS Mecanismos para implementação da exclusão mútua e sincronização condicional MONITORES Mecanismos para implementação da exclusão mútua e sincronização condicional TROCA DE MENSAGENS: Mecanismo de sincronização e comunicação entre processos 19

20 DEADLOCK 20

21 DEADLOCK DEFINIÇÃO É a situação em que um processo aguarda por um recurso que nunca estará disponível ou um evento que nunca ocorrerá. É conseqüência, na maioria das vezes, do compartilhamento de recursos (dispositivos, arquivos e registros,etc) entre processos concorrentes onde a exclusão mútua é exigida. Torna-se cada vez mais freqüente e crítico na medida em que os sistemas operacionais evoluem no sentido de implementar o paralelismo de forma intensiva e permitir a alocação dinâmica de um número ainda maior de recursos. 21

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23 DEADLOCK SITUAÇÕES SIMULTÂNEAS PARA QUE OCORRA UM DEADLOCK Exclusão mútua: cada recurso só pode estar alocado a um único processo em um determinado instante; Espera por recurso: um processo, além dos recursos já alocados, pode estar esperando por outros recursos. Não preempção: um recurso não pode ser liberado de um processo só porque outros processos desejam usar o mesmo recurso; Espera circular: um processo pode ter de esperar por um recurso alocado a outro processo e vice-versa. 23

24 DEADLOCK (espera circular) Espera circular: um processo pode ter de esperar por um recurso alocado a outro processo e vice-versa. 24

25 PREVENÇÃO DO DEADLOCK É preciso garantir que uma das quatro condições necessárias para a sua existência nunca se satisfaça. Exclusão mútua: cada recurso só pode estar alocado a um único processo em um determinado instante; Espera por recurso: um processo, além dos recursos já alocados, pode estar esperando por outros recursos. Não preempção: um recurso não pode ser liberado de um processo só porque outros processos desejam usar o mesmo recurso; Espera circular: um processo pode ter de esperar por um recurso alocado a outro processo e vice-versa. 25

26 PREVENÇÃO DO DEADLOCK Exclusão mútua: cada recurso só pode estar alocado a um único processo em um determinado instante; Prevenção: a ausência da exclusão mútua acaba com o problema do deadlock, porém gera os problemas já apresentados com relação ao compartilhamento de recursos. Espera por recurso: um processo, além dos recursos já alocados, pode estar esperando por outros recursos. Prevenção: processos que já possuem recursos garantidos não devem solicitar novos recursos. Maneira de Implementar: antes do inicio da execução, um processo deve pré-alocar todos os recursos necessários. 26

27 PREVENÇÃO DO DEADLOCK Não preempção: um recurso não pode ser liberado de um processo só porque outros processos desejam usar o mesmo recurso; Prevenção: permitir que um recurso seja retirado do processo no caso de outro processo necessitar do mesmo recurso. Espera circular: um processo pode ter de esperar por um recurso alocado a outro processo e vice-versa. Prevenção: excluir a possibilidade de espera circular Maneira de Implementar: é forçar o processo a ter apenas um recurso por vez 27

28 DETECÇÃO DO DEADLOCK Para DETECTAR DEADLOCKS, os sistemas operacionais devem manter Estruturas de dados capazes de identificar cada recurso do sistema, o processo que está alocando tal recurso e os processos que estão à espera da liberação do recurso. 28

29 DETECÇÃO DO DEADLOCK 29

30 SOLUÇÃO 1 CORREÇÃO DEADLOCK eliminar um ou mais processos envolvidos no deadlock e liberar os recursos. A escolha do processo a ser eliminado é feita, normalmente, de forma aleatória ou com base em algum tipo de prioridade Muito utilizado SOLUÇÃO 2 liberação de apenas alguns recursos alocados aos processos para outros processos, até que o ciclo de espera termine. É necessário que o sistema possa suspender um processo, liberar seus recursos e, após a solução do problema,retornar à execução do processo, sem perder o processamento já realizado. Conhecido como ROLLBACK e gera um OVERHEAD muito grande. 30

31 CORREÇÃO DEADLOCK 31